超100G技術(shù)的研究進(jìn)展和面臨挑戰

    　ICCSZ訊 在云計算、新型互聯(lián)網(wǎng)等寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展的推動(dòng)下，100Gb/s光傳輸技術(shù)國內商用部署節奏明顯加快。從2012年年底開(kāi)始，中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通三大運營(yíng)商已啟動(dòng)或正準備啟動(dòng)100Gb/s光傳輸商用工程招標建設，這標志著(zhù)我國100Gb/s技術(shù)從2013年起已正式步入初步規模商用階段，而速率更高的超100Gb/s技術(shù)已逐漸成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。借鑒高速傳輸速率以往按照4倍或10倍增長(cháng)的歷史經(jīng)驗，國內外科研機構幾年前就已啟動(dòng)基于400Gb/s、1Tb/s甚至更高速率的超100Gb/s傳輸技術(shù)研究，伴隨著(zhù)2013年3月IEEE 802.3 400GE標準成功立項，400Gb/s已成為近期業(yè)界高度聚焦的超100Gb/s技術(shù)。

    業(yè)界共推，設備研發(fā)及標準均已啟動(dòng)

    　在100Gb/s正式商用之前，業(yè)界主要關(guān)注點(diǎn)集中在100Gb/s設備研制、傳輸性能提升、集成度和功耗進(jìn)一步優(yōu)化等方面。伴隨著(zhù)100Gb/s設備商用節奏加快，業(yè)界逐漸把超高速光傳輸技術(shù)攻關(guān)和新產(chǎn)品研制的重點(diǎn)聚焦在超100Gb/s（由于長(cháng)距傳輸線(xiàn)路具體速率暫未確定，故采用超100Gb/s籠統表示）的未來(lái)發(fā)展上。國內的三大光傳輸設備商從2012年左右開(kāi)始逐步發(fā)布了400Gb/s、1Tb/s等速率實(shí)驗室樣機或正在開(kāi)展產(chǎn)品研制，部分在國外運營(yíng)商進(jìn)行了現網(wǎng)試驗，阿朗公司去年甚至推出了基于2載波、400Gb/s 速率、傳輸距離可達500km量級的超高速傳輸板卡，同時(shí)今年在法國電信Orange進(jìn)行商用試驗。另外中國電信、中國移動(dòng)等國內運營(yíng)商后期均有在實(shí)驗室或現網(wǎng)進(jìn)行400Gb/s技術(shù)測試驗證的計劃。從目前公開(kāi)報道的信息來(lái)看，國內外主要光傳輸設備商現階段主研的超100Gb/s商用樣機主要集中在400Gb/s速率，設備研制難題包括調制格式、復用方式、子載波選擇、數字信號處理算法及實(shí)現、前向糾錯等，力求研制成功低單位成本及能耗、高集成度并滿(mǎn)足實(shí)際應用需求（包括傳輸距離、譜效等等）的商用化產(chǎn)品，而更高速率的超100Gb/s設備尚處于實(shí)驗室研究或模型樣機研制階段。

    　在各廠(chǎng)商研制超100Gb/s設備以爭取未來(lái)市場(chǎng)先機的同時(shí)，高速傳輸相關(guān)標準組織如國際電聯(lián)（ITU-T）、電氣與電子工程師學(xué)會(huì )（IEEE）、光互聯(lián)論壇（OIF）以及國內的中國通信標準化協(xié)會(huì )（CCSA）等非常關(guān)注并已啟動(dòng)相應標準工作。ITU-T的SG15的Q11和Q6組分別開(kāi)展超100Gb/s OTN幀結構和超100Gb/s物理層標準研究工作，預計最快2014年上半年幀結構將會(huì )有初步結論。IEEE的802.3主要負責高速光以太網(wǎng)的標準化制定工作，2013年3月400GE標準項目立項成功，預計2016年~2017年400GE標準化完成。OIF最近兩年也推動(dòng)多種超高速率接口規范制定，典型包括56Gb/s的多種應用電接口以及400Gb/s長(cháng)距傳輸用光模塊方案等。另外，我國的CCSA TC6技術(shù)委員會(huì )的WG1和WG4分別負責光傳送設備和光模塊標準化工作，近兩年分別開(kāi)展了基于超100Gb/s傳輸技術(shù)及光模塊的標準類(lèi)研究課題，目前整體上都在開(kāi)展之中。

    超100G技術(shù)路線(xiàn)多樣，性能和成本平衡至關(guān)重要 

   　超100Gb/s主要涉及短距離互聯(lián)（客戶(hù)側）和長(cháng)距離傳輸（線(xiàn)路側）?？蛻?hù)側技術(shù)方面，鑒于IEEE已經(jīng)把速率定位于400GE，超100Gb/s客戶(hù)側的技術(shù)選擇主要圍繞400Gb/s進(jìn)行，截至今年8月IEEE 802.3 400GE項目組已召開(kāi)了3次會(huì )議，目前討論的重點(diǎn)依然是關(guān)鍵技術(shù)路線(xiàn)的選擇，典型如電層通道速率、光層通道速率、FEC（前向糾錯編碼）選擇等等。參考100Gb/s低成本實(shí)現討論方案（802.3bm項目，單模光纖方案目前暫未獲通過(guò)）并結合未來(lái)可預見(jiàn)技術(shù)發(fā)展等，400GE接口有多種實(shí)現方案，包括25Gb/s、50/56Gb/s不同的電接口速率、脈沖幅度調制（PAM-n）和離散多載波（DMT）等多種基于不同波特率的光接口調制復用方式等等。

    　在線(xiàn)路側技術(shù)方面，前十多年高速傳輸技術(shù)經(jīng)歷了40Gb/s速率多方爭優(yōu)、多種并存的時(shí)代后，在100Gb/s速率上又在偏振復用-正交相移鍵控（DP-QPSK）和相干接收等關(guān)鍵技術(shù)路線(xiàn)上趨于統一，而超100Gb/s目前在技術(shù)路線(xiàn)選擇上又面臨40Gb/s當年類(lèi)似的情形，而且技術(shù)路線(xiàn)的選擇更為復雜，典型包括正交幅度調制（n-QAM）等調制格式、載波個(gè)數，以及基于奈奎斯特WDM、電/光域的正交頻分復用（OFDM）線(xiàn)路傳輸復用方式等等。從目前整體發(fā)展來(lái)看，線(xiàn)路側近兩年可支持商用化產(chǎn)品的400Gb/s技術(shù)路線(xiàn)主要重點(diǎn)落在4載波的QPSK（傳輸距離1000km量級）或者2載波的16QAM（傳輸距離500km量級）上，但這并不排除其他方案后來(lái)居上情形的出現。

    　無(wú)論是超100Gb/s客戶(hù)側還是線(xiàn)路側，在最終技術(shù)路線(xiàn)選擇時(shí)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，就是如何讓性能和成本盡可能在特定階段接近某種平衡，譬如超100Gb/s客戶(hù)側接口就是應用需求要求低成本實(shí)現的最明顯例子?？蛻?hù)側傳輸距離短因而存在多種實(shí)現方案，這將導致出現評估哪種方案成本更低的難題，IEEE 802.3bm項目中100GE單模光纖的多種低成本方案目前仍然沒(méi)有達成共識就是例證。另外，線(xiàn)路側技術(shù)選擇主要面臨的就是如何權衡傳輸距離和頻譜效率的取舍，但同時(shí)頻譜效率又會(huì )變相地轉化到比特成本上，因此實(shí)際上也是性能與成本之間的平衡問(wèn)題。

    面臨諸多挑戰，信號處理最為突出

    　雖然40Gb/s和100Gb/s尤其是100Gb/s技術(shù)研究及最終商用實(shí)現方案選擇經(jīng)驗為超100Gb/s技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提供了很好的參考，但由于超100Gb/s傳輸速率一般至少要提升4倍或10倍，相應參與光電信號處理的光學(xué)器件和微電子器件工作帶寬顯著(zhù)提升，超100Gb/s在后續發(fā)展方面還面臨諸多挑戰。

    　第一，多技術(shù)路線(xiàn)選擇整體上不利于超100Gb/s未來(lái)發(fā)展。無(wú)論是客戶(hù)側還是線(xiàn)路側，超100Gb/s的技術(shù)路線(xiàn)都面臨多樣化競爭方案選擇，不像在100Gb/s發(fā)展階段中技術(shù)優(yōu)勢明顯的DP-QPSK和基于數字信號處理（DSP）的相干接收等，目前超100Gb/s技術(shù)方案中暫時(shí)沒(méi)有哪種方案明顯占優(yōu)，這種方案多樣性在有利于通過(guò)競爭來(lái)攻關(guān)技術(shù)難題、探索技術(shù)新方向的同時(shí)，將產(chǎn)生諸多業(yè)內互相競爭的產(chǎn)業(yè)鏈條，在一定程度上會(huì )影響超100Gb/s整體產(chǎn)業(yè)的成熟進(jìn)度，類(lèi)似現象在40Gb/s發(fā)展過(guò)程中也曾出現。因此，盡快推動(dòng)超100Gb/s標準化進(jìn)程至關(guān)重要。

    　第二，未來(lái)實(shí)際帶寬需求量將影響超100Gb/s技術(shù)發(fā)展節奏。按照思科公司2012年預測，2016年固定互聯(lián)網(wǎng)帶寬需求大約是2011年的3.5倍，移動(dòng)數據帶寬需求大約是2011年的18倍，而中國電信預測2017年干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最大截面傳輸需求將達38Tb/s，基于現有商用的100Gb/s傳輸技術(shù)承載未來(lái)巨量帶寬需求將面臨成本、功耗、機房面積、光纜資源和運維等諸多挑戰，而且目前尚未出現相比光纖通信技術(shù)容量更大的其他傳輸技術(shù)。因此未來(lái)4~5年出現超100Gb/s傳輸需求的可能性較大，但最終實(shí)際需求還是要取決于后續實(shí)際帶寬需求的發(fā)展規模，這將直接影響超100Gb/s技術(shù)成熟的節奏。

    　第三，超高速光電處理及芯片實(shí)現面臨瓶頸。由于無(wú)論是客戶(hù)側還是線(xiàn)路側，超100Gb/s速率相對于100Gb/s而言至少增加4倍或更高，采用現有技術(shù)和芯片工藝在功耗、集成度和成本等方面優(yōu)勢不大，而采用新技術(shù)和新工藝等將在調制和編碼、系統傳輸、解調和數字信號相干接收處理等方面面臨技術(shù)挑戰，典型如客戶(hù)側高速率（如50/56Gb/s）電接口、線(xiàn)路側高采樣率數模/模數轉換器（64Gb/s以上）、更低功耗超大規模電路DSP處理電路、優(yōu)化線(xiàn)路損傷提升傳輸距離的DSP處理算法、更高增益FEC等。由于超高速光電處理及相關(guān)芯片涉及光學(xué)和微電子等基礎領(lǐng)域，超100Gb/s在頻譜效率、傳輸距離、集成度、成本和功耗等方面還需要大量的技術(shù)和工藝創(chuàng )新，才能達到商用化要求水平，這是超100G發(fā)展目前面臨的最突出障礙。

    尚處發(fā)展初期，未來(lái)演進(jìn)存多種可能

   　雖然目前400Gb/s已經(jīng)出現了商用試驗案例，但縱觀(guān)應用需求、技術(shù)路線(xiàn)、標準規范、設備研制等多方因素，超100Gb/s整體上尚處發(fā)展初期，后續演進(jìn)存在多種可能。第一，從客戶(hù)側應用需求來(lái)看，由于傳輸速率標準已經(jīng)確定為400GE，目前國外大量的400GE超高速光互聯(lián)驅動(dòng)主要來(lái)源于大型和超大型數據中心建設，而我國超100Gb/s首要應用需求則可能出現在干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，因此400GE技術(shù)將同時(shí)面臨100~500m、2~10km、40km等多種應用需求，這將導致后續標準方案更多、方案間競爭更為激烈，最終接口目標距離和傳輸技術(shù)選擇有待業(yè)界共同推動(dòng)。第二，從線(xiàn)路側速率選擇來(lái)看，目前客戶(hù)側選擇400GE意味著(zhù)線(xiàn)路側速率至少是400Gb/s或者更高（包括速率靈活可配置方式）。由于現有方案實(shí)現的線(xiàn)路側400Gb/s技術(shù)在傳輸距離和頻譜效率上尚未達成有效平衡，最終線(xiàn)路側速率的選擇將由帶寬需求驅動(dòng)的節奏（如帶寬增速快，應用需求周期短等）、應用場(chǎng)景（如干線(xiàn)或城域等）、技術(shù)突破（如出現重大技術(shù)創(chuàng )新等）多種因素確定，但近2~3年的設備樣機研制或現網(wǎng)試驗則將主要以400Gb/s為主。第三，從線(xiàn)路側技術(shù)選擇上來(lái)看，除了繼承100Gb/s關(guān)鍵技術(shù)本質(zhì)之外，采用基于奈奎斯特和OFDM等多子載波進(jìn)行反向復用是目前看到可能使用的新技術(shù)點(diǎn)，但100Gb/s具體調制格式（如DP-16QAM、DP-QPSK以及其他更復雜的混合調制等）與具體線(xiàn)路傳輸技術(shù)的選擇目前尚未明晰，有待業(yè)界后續進(jìn)一步推動(dòng)。

    總結

   　未來(lái)潛在的超寬帶應用和技術(shù)革新等驅動(dòng)超100Gb/s成為高速光傳輸研究熱點(diǎn)。從整體發(fā)展上來(lái)看，超100Gb/s尚處于發(fā)展初期，目前尚未確定關(guān)鍵技術(shù)特性，但未來(lái)2~3年傳輸產(chǎn)品研制則以400Gb/s速率為主，后續演進(jìn)存在多種可能性，這對于我國而言也是進(jìn)一步提升超高速光通信技術(shù)及產(chǎn)品國際競爭力的絕佳機會(huì )。